REATOR ELETRÔNICO AUTO-OSCILANTE VALLEY-FILL COM CORREÇÃO DO FATOR DE CRISTA UTILIZANDO MODULAÇÃO EM FREQÜÊNCIA

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1 REATOR ELETRÔNICO AUTO-OSCILANTE VALLEY-FILL COM CORREÇÃO DO FATOR DE CRISTA UTILIZANDO MODULAÇÃO EM FREQÜÊNCIA Álysson R. Sedel Douglas Papps GEDRE PPGEE UFSM CEP Santa Mara RS Marco A. Dalla Costa marcodc@eee.org Rcardo N. do Prado rnprado@eee.org ABSTRACT Ths paper presents a self-oscllatng electronc ballast employng a modfed alley-fll flter n order to meet IEC Class C requrements. In order to oercome the drawback of hgh fluorescent lamp current crest factor, whch s nherent to the alley fll flter, t s employed a frequency modulaton system that keeps the crest factor lower than 1.7 lmt usng a smple and low cost crcut. Ths system uses the resonant flter features added to the possblty to control self-oscllatng frequency usng electronc ballast bus oltage feature. Smulaton and expermental results are presented to demonstrate the system performance. KEYWORDS: electronc ballast, power electroncs, powerfactor, fluorescent lamp, self-oscllatng, alley-fll flter, fluorescent lamp. RESUMO Neste artgo, apresenta-se um reator eletrônco autoosclante empregando o fltro alley-fll modfcado como método de correção do fator de potênca, de modo a atender a norma IEC Classe C. Para soluconar o problema do alto fator de crsta da corrente na lâmpada fluorescente nerente ao fltro alley-fll, emprega-se um Artgo Submetdo em 10/05/04 1a. Resão em 15/05/04; a. Resão em 09/05/05; Aceto sob recomendação do Edtor Assocado Prof. Dr. José Antenor Pomlo sstema de modulação em freqüênca. Um crcuto smples e de baxo custo mantém o fator de crsta abaxo do lmte de 1,7. São utlzadas as característcas de ganho do fltro ressonante aladas à possbldade de controlar a freqüênca do crcuto de comando auto-osclante a partr da característca da tensão de barramento do reator. PALAVRAS-CHAVE: auto-osclante, eletrônca de potênca, fator de potênca, reator eletrônco, lâmpada fluorescente e alley-fll. 1 INTRODUÇÃO Comparados a reatores eletromagnétcos para lâmpadas fluorescentes, reatores eletrôncos são uma realdade, tornando-se atratos no mercado dedo aos seus conhecdos mértos, comparados aeletromagnétcos, tas como: maor rendmento lumnoso (lm/w), ausênca de cntlamento (flcker) e ruído audíel, menores peso e olume. Reatores eletrôncos sem correção de fator de potênca (FP) utlzam um capactor de barramento de alto alor para fltrar a tensão retfcada da fonte de almentação, apresentando um bom resultado de fator de crsta (FC) da corrente na lâmpada (FC<1,7). No entanto, apresentam baxo fator de potênca (FP<0,6) e alta taxa de dstorção harmônca (TDH>130%). Para superar essas desantagens, são usados dos métodos de correção do FP: 1) atos (Verderber et al., 1994; Youn et al, 1997; Yang e Chen, 1996) e ) passos: (Spangler et al., 1996; Kheraluwala et al., 1995; Konopka et al., 1999; e Sum, 000). O fltro alley fll" (VF) é um método passo, podendo ser usado Resta Controle & Automação/ Vol.16 no./abrl, Mao e Junho

2 para atender os lmtes estabelecdos pela norma IEC Classe C (Sum, 1997 e 000). Assm, o fltro VF possu a antagem de ser uma estrutura smples que não apresenta esforços de tensão e de corrente nos nterruptores. Porém, um alto FC da corrente na lâmpada é nerente ao funconamento do mesmo. Na lteratura, são apresentadas soluções utlzando modulação em freqüênca assocada a característca de ganho do fltro ressonante de saída (Song et al., 001). No entanto, o autor não apresenta o crcuto utlzado para tal, apresentando apenas o dagrama de blocos do mesmo. Deste modo, não é possíel aalar a complexdade e o custo do crcuto utlzado. Da mesma forma, as formas de onda de tensão e de corrente de entrada são omtdas, o que mpossblta aalar a nfluênca de cada harmônca em relação a TDH da corrente de entrada. Entre os comandos exstentes, o comando auto-osclante possu dersas qualdades, tas como: smplcdade, confabldade e baxo custo. Além dsso, exste a possbldade de controle da freqüênca desse sstema conforme é demonstrado por Sedel et al. (003). Um sstema que assoce as antagens do fltro passo VF e do comando auto-osclante é possíel, etando utlzar crcutos complexos e componentes adconas, para manter o FC da corrente na lâmpada dentro do lmte permtdo e atender à norma IEC relata à corrente de entrada. Neste trabalho propõe-se: 1) utlzar o fltro VF modfcado para corrgr a TDH da corrente de entrada e garantr alto fator de potênca; ) utlzar o crcuto de comando auto-osclante com modulação em freqüênca para corrgr o alto FC da corrente da lâmpada. Assm, obtém-se um crcuto smples e de baxo custo atraés do uso adequado do crcuto de comando auto-osclante, o que ablza aplcações de baxa potênca com correção de FP. O trabalho é organzado da segunte manera: a seção apresenta uma dscussão sobre as técncas para correção do FP exstentes; na seção 3, é apresentado o prncípo utlzado para correção do FC da corrente da lâmpada; a seção 4 mostra o procedmento de projeto para o reator proposto; a seção 5 apresenta resultados expermentas. A seção 6 mostra uma dscussão e a conclusão a respeto do trabalho desenoldo. CIRCUITOS PARA CORREÇÃO DO FP Exstem dos métodos báscos para correção do FP..1 Métodos Atos Para Correção do FP Os métodos atos para correção do FP são lmtados pelo seu alto custo e complexdade. O compartlhamento de um dos nterruptores é uma boa alternata para resoler essas desantagens. No entanto, sso geralmente resulta em esforços de tensão e/ou corrente controlados do crcuto. nos nterruptores. Métodos Passos Para Correção do FP Os métodos passos para correção do FP possuem algumas antagens em relação aos atos, tas como: baxo custo, smplcdade e ausênca de esforços de tensão e de corrente. Um dos mas smples e conhecdos métodos passos é o fltro VF conenconal, o qual é mostrado na Fgura 1 e é descrto em detalhes nos tens a segur. A desantagem de utlzar esse método é que a tensão retfcada da fonte de almentação tem uma fltragem parcal, o que resulta em uma ondulação na tensão de barramento (V DC ) de cerca de 50%, resultando um alto FC da corrente da lâmpada. O fltro VF básco e suas etapas de operação são mostrados na Fgura 1. As etapas de operação apresentadas a segur representam um sem-cclo da tensão da fonte de almentação. O outro sem-cclo é dêntco, não necesstando ser representado. Etapa 1) Nesta etapa, o alor nstantâneo da tensão da fonte de almentação está em um alor menor que V P /, D 5 e D 7 estão dretamente polarzados e os demas dodos não. Neste caso, os capactores de fltro (C f1 e C f ), em paralelo, estarão fornecendo energa à carga, decando assm seu alor de tensão de um alor V. Nota-se que, nesta etapa, a fonte de almentação não está fornecendo corrente ao crcuto. Etapa ) Assm que o alor nstantâneo da tensão da fonte de almentação ultrapassar o alor de V P / - V, a fonte de almentação passa a almentar a carga dretamente, pos D 1 e D 4 (além de D e D 3 no próxmo sem-cclo da tensão da fonte de almentação) estarão dretamente polarzados e os demas dodos não. Nesta etapa a tensão de barramento terá a ondulação da tensão da fonte de almentação. Etapa 3) O dodo D 6 começa a conduzr quando a tensão da fonte de almentação atngr o alor de V P - V. A fonte de almentação, além de fornecer energa à carga, também carregará os capactores eletrolítcos em sére, o que exgrá um alor de corrente maor nesta etapa. A tensão de barramento permanece gual à tensão da fonte de almentação. Etapa 4) Quando a tensão da fonte de almentação atngr seu alor de pco (V P ) os capactores de fltro (C f1 e C f ) carregar-se-ão com o alor de V P /, cada um, e esta etapa terá seu níco. Quanto ao funconamento, esta é dêntca à etapa. 44 Resta Controle & Automação/ Vol.16 no./abrl, Mao e Junho 005

3 As formas de onda teórcas podem ser obseradas na Fgura, onde é mostrada a tensão de entrada do reator (V ent ), corrente de entrada (I ent ) e tensão de barramento (V DC ). parcela de corrente contínua na lâmpada como decorrênca da modfcação do fltro VF (Konopka et al., 1999); alternatas que corrgem o problema do alto fator de crsta, mas, por conseqüênca, deteroram a corrente de entrada (Youn et al., 1997; Konopka et al., 1999; Marques et al., 00); alternatas que corrgem o problema da dstorção da corrente de entrada, mas apresentam um aumento sgnfcato da ondulação da tensão do barramento (Kheraluwala et al., 1995, Konopka et al., 1999; Sum, 000). Uma alternata que corrge o problema da dstorção harmônca da corrente de entrada sem um acréscmo sgnfcato da ondulação da tensão de barramento é apresentada em Sum (1997). Apesar de alguns desses crcutos atenderem à norma que lmta a TDH da corrente de entrada, algumas confgurações apresentam alto FC da corrente na lâmpada (FC>,1), dedo à ondulação da tensão de barramento (V DC ). Fgura 1. Etapas de operação do fltro VF conenconal. Deste modo, uma boa alternata é a utlzação do fltro VF modfcado com modulação em freqüênca, de modo a atender às exgêncas da entrada (lnha) e saída (lâmpada). A técnca de controle utlzada neste trabalho é baseada na modulação em freqüênca proposta em Sedel et al. (003), a qual tem como base a nserção de elementos passos em paralelo ao crcuto de comando auto-osclante. 3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA PROPOSTO PARA CORREÇÃO DO FC O prncípo da correção do FC da corrente na lâmpada basea-se na utlzação da ondulação da tensão de barramento do crcuto. Fgura. Formas de onda teórcas do fltro VF. assoca a utlzação de um transstor em uma confguração bdreconal, como proposto em Mchel et al. (00). Nota-se que, apesar de aumentar o tempo de condução da corrente da fonte de almentação, a corrente de entrada anda se encontra fora da norma IEC Deste modo, para adaptar o fltro VF à norma, algumas estruturas tem sdo apresentadas na lteratura (Spangler et al., 1991, e Kheraluwala et al., 1995). Entre as alternatas de modfcação do fltro alley-fll, há: algumas que não atendem à norma IEC (Marques et al., 000); uma alternata que aplca uma A melhora do FC pode ser obtda por meo do crcuto da Fgura 3a, que emprega a tensão do barramento (Fgura 3b) como regra de controle (ON-OFF, bascamente). Se a tensão do barramento é maor que Vp/, o transstor está em saturação (conduzndo), o que ntroduz Lc no crcuto de dsparo, dmnundo o ganho do fltro ressonante e aumentando a freqüênca de operação do reator (Fgura 3c). Por outro lado, para uma tensão de barramento nferor a Vp/, o transstor está em corte (aberto) e a freqüênca dmnu (Fgura 3d). Esse mecansmo atua de forma a reduzr as dergêncas entre os alores efcazes da corrente na lâmpada durante as etapas de funconamento do fltro, reduzndo também o FC. A Fgura 4 mostra o sstema proposto, destacando-se o crcuto de comando auto-osclante, o fltro VF modfcado e o crcuto de modulação em freqüênca. Resta Controle & Automação/ Vol.16 no./abrl, Mao e Junho

4 (a) Aproxmação fundamental V f, que consste em consderar somente a componente fundamental da forma de onda V ab aplcada ao fltro ressonante; - A lâmpada fluorescente é representada por sua resstênca em regme permanente (R) e, no caso da partda, por 100R; - Os componentes do fltro ressonante (L, C P e C S ) são consderados lneares e narantes no tempo. Os passos a segur são usados para determnar os componentes do fltro ressonante: Dados de Entrada A freqüênca de operação e a tensão aplcada ao fltro ressonante são determnadas, consderando a tensão de barramento resultante do fltro VF (V mn ). (b) 4.1. Parâmetros do Fltro Ressonante Os parâmetros do fltro ressonante (L, C P e C S ) são determnados a partr do segunte: a) Ângulo de Fase - O ângulo de fase é determnado de modo a garantr a partda da lâmpada fluorescente, potênca em regme permanente e operação com comutação suae (ZVS ). Seu alor é determnado pela equação (1). 1 R CP 1CP R arctan L (1) CS (1 CPR ) R em que: (c) Fgura 3. Prncípo de funconamento do crcuto proposto: (a) crcuto smplfcado; (b) tensão de barramento; (c) smulação da tensão e da corrente na lâmpada (freqüênca máxma); (d) smulação da tensão e da corrente na lâmpada (freqüênca mínma). (d) 4 PROCEDIMENTO DE PROJETO O projeto do sstema proposto enole duas etapas: a prmera refere-se ao projeto do fltro ressonante (Bsogno et. al., 001); a segunda, ao projeto do crcuto de modulação da freqüênca de operação, conforme Sedel et al. (003). 4.1 Projeto do Fltro Ressonante Para determnar os parâmetros do fltro LCC ressonante, algumas aproxmações são consderadas: =f s e - freqüênca angular; f s - freqüênca de operação; R - resstênca equalente da lâmpada. A potênca da lâmpada fluorescente, representada por sua resstênca equalente R é defnda por (). em que: P E 1 CPR R R Rtan( ) E - tensão de barramento V mn ; P - potênca na lâmpada. Deste modo, o ângulo de fase pode ser determnado grafcamente, de acordo com a Fgura 5. () 46 Resta Controle & Automação/ Vol.16 no./abrl, Mao e Junho 005

5 b) Capactor Paralelo C p -A partr do ângulo, determnado na Fgura 5, determna-se o alor do capactor paralelo por (3). R Rtan( ) 1 Fgura 4. Crcuto proposto. Em que C S é um alor típco de capactor sufcente para bloquear a componente contínua da tensão quadrada aplcada ao fltro ressonante. Assm, adota-se um alor para a capactânca C S de 150 nf. 1 P( ) C P (3) Portanto, a partr de (), (3) e (4), determna-se os R R E componentes do fltro de saída. c) Indutor Ressonante L - O ndutor ressonante é determnado por (4). 1 Rtan( ) CP( ) R 1 L, CS (4) 1 C ( ) R C P S 4. Projeto do Crcuto de Correção do Fator de Crsta Os parâmetros do crcuto de comando auto-osclante e do crcuto de correção do fator de crsta são determnados atraés das seguntes consderações: - São consderados dos níes para tensão V ab, V mn e V max ; - A ndutânca Lc é determnada de modo a se obter a máxma freqüênca de comutação f s_max para o níel máxmo da tensão V ab (V max ); - Os parâmetros do fltro ressonante são determnados consderando a tensão mínma de barramento V mn. Fgura 5. Potênca na lâmpada ersus ângulo de fase 4..1 Comando Auto-Osclante Os parâmetros do crcuto de comando auto-osclante são determnados de acordo com a metodologa de projeto apresentada em Sedel et al (003). Resta Controle & Automação/ Vol.16 no./abrl, Mao e Junho

6 4.. Crcuto de Correção do Fator de Crsta A correção do FC da corrente na lâmpada é obtda atraés da aração da freqüênca de operação, conforme já descrto na seção 3. A aração de freqüênca é obtda pela nserção de um ndutor em paralelo com o crcuto de gatlho, atraés de um transstor que conecta o ndutor L c quando a tensão V DC torna-se maor que V mn, como pode ser sto na Fgura 6.a. e 6.b. O comportamento como um sstema de controle permte que se controle o FC da corrente na lâmpada pelo controle da freqüênca de operação do reator. Os parâmetros são defndos consderando a proposta mostrada em Sedel et al. (003). (a) Snal de controle ersus V ab. (b) Dagrama de blocos do sstema proposto. Fgura 6. Prncípos do crcuto de correção do FC. Tabela I - Prncpas Parâmetros Dados de Entrada Tensão de entrada V ent =0 V efcaz, 60Hz Resstênca equalente da lâmpada R=04 fluorescente Potênca de saída 40 W Faxa de freqüêncas de operação 45 khz-60 khz Reator Eletrônco Auto-Osclante /10/10 oltas no núcleo T15 IP6 L p,l S1,L S Thornton D Z1 -D Z4 Dodo Zener 1 V ½ W Dac DB3 R Q Resstor 0 k/1/8w C Q Capactor Cerâmco 100nF / 63 V R M Resstor 470 k/1/8w D 5 Dodo UF4007 S 1, S MOSFET IRF740 D 1 D 8 Dodo 1N4004 Lâmpada Lâmpada OSRAM F40D-Daylght Fltro Ressonante C S Capactor Sére Ressonante, 147 nf, 50 L V ac Indutor Ressonante, 800 H L ent Fltro de EMI 5 mh Fltro VF Modfcado Capactor de Polpropleno / 470 nf 00 C st1, C st V ac C f1, C f Capactor Eletrolítco / 100 F 50 V dc R VF Resstor 50 ;1/ W R st Resstor 0 ; W Crcuto de Modulação de Freqüênca D 9 -D 1 Dodo 4x1N4148 R C1, R C Resstores 100 k; 10 k; 1/8W L C Indutor de Controle, 100 H D Z5 Dodo Zener 1 V, 1/ W Transstor Bpolar, N T SC 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS A Fgura 4 mostra o crcuto do protótpo mplementado em laboratóro. A Tabela I mostra a especfcação dos dados de entrada, parâmetros do fltro de entrada e os alores dos prncpas componentes do crcuto mplementado. Atraés da análse dos dados obtdos, o reator mplementado apresentou um FP de 0,96 e THD da corrente de entrada de 15%, atendendo aos lmtes da IEC classe C. A Fgura 7 mostra a contrbução percentual de cada ampltude harmônca. O rendmento apresentado pelo reator fo de 90 %. Para as aqusções, fo utlzado um oscloscópo da marca Tektronx, modelo TDS 430A. Fgura 7. Percentual do conteúdo harmônco da corrente de entrada. 48 Resta Controle & Automação/ Vol.16 no./abrl, Mao e Junho 005

7 A Fgura 8 mostra os resultados expermentas obtdos do protótpo mplementado. A Fgura 8a mostra a enoltóra da tensão e da corrente na lâmpada. A partr da aqusção de pontos de amostragem, erfcou-se que o FC da corrente na lâmpada é de 1,68. Nas Fguras 8b e 8c são mostradas a tensão e a corrente na lâmpada para os casos f s_mn (60 khz) e f s_max (45 khz), respectamente. A Fgura 8d mostra a tensão de barramento (V DC ) e a corrente de controle ( c ) que é resultado da atuação do crcuto de controle que permte controlar o fator de crsta da corrente da lâmpada fluorescente. A Fgura 8e mostra a tensão e a corrente na entrada do reator. As Fguras 8f e 8g mostram a comutação suae (ZVS) dos nterruptores, para f s_mn e f s_max, respectamente. Obsera-se que a comutação suae mantém-se para toda faxa de freqüênca de operação. A Fgura 8h mostra a tensão e a corrente na lâmpada para partda nstantânea. Spangler, J. Hussan, B., and Behera, A. K. (1991). Electronc Ballast Usng Power Factor Correcton Technques for Loads Greater than 300 Watts. IEEE APEC, pp Marques, R. N., Braga, H. A. C. (000). Valley-Fll Flters Appled to Electronc Ballasts. IEEE INDUSCON, pp Kheraluwala, M. H. and El-Hamamsy, S. A. (1995). Modfed Valley-Fll Hgh Power Factor Electronc Ballast for Compact Fluorescent Lamps. IEEE PESC, ol. 1, pp Sum, K. K. (1997). Improed Valley-Fll Passe Current Shaper. PowerSystems World, Baltmore, Maryland, Sept. Konopka, J. G. (1999). Electronc Ballast Wth Lamp Current Valley-Fll Power Factor Correcton. U.S. Patent (No. 30), 5,994, CONCLUSÃO Sum, K. K. (000). Valley-Fll Power Factor Correcton Neste trabalho, é apresentado um reator eletrônco Crcut. U.S. Patent (Oct. 31), 6,141,30. empregando o fltro VF modfcado para correção do FP. A Song, J., Song, J-H., Choy, I. and Cho, J-Y., Oct correção do FC da corrente da lâmpada, mprescndíel Improng Crest Factor of Electronc Ballast-Fed para sua mplementação, é realzada utlzando um crcuto Fluorescent Lamp Current Usng Pulse Frequency smples e de baxo custo que efetua a modulação em Modulaton. IEEE Transacton on Industral freqüênca descrta, a qual é realzada utlzando o crcuto Electroncs, ol. 48, no. 5, pp de comando auto-osclante de forma aproprada. Os resultados expermentas apresentados e sua análse demonstram a abldade do sstema proposto. O fator de crsta da corrente na lâmpada menor que 1,7, o fator de potênca de 0,96, e as contrbuções de cada componente harmônca nferores ao lmte estabelecdo por normas nternaconas garantem os lmtes de saída (lâmpada fluorescente) e de entrada (fonte de almentação). 7 AGRADECIMENTOS Este projeto fo fnancado pelo CNPq (processo /01-7). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Verderber, R. R., Morse, O. C., and Allng, W. R. (1994). Harmoncs From Compact Fluorescent Lamps. IEEE Transacton on Industry Applcatons, ol. 9, no. 3, pp Youn, Y. S., Chae, G., and Cho, G. H. (1997). A Unty Power Factor Electronc Ballast for Fluorescent Lamp Hang Improed Valley-fll and Valley Boost Conerter. IEEE PESC, pp Yang, Y. R., and Chen, C. L. (1996). A Self-Excted Half- Brdge Seres-Resonant Ballast wth Automatc Input Current Shapng. IEEE PESC, pp Sedel, A. R., Bsogno, F. E, do Prado, R. N. and Pnhero, H., Dezember 003. Self-oscllatng Dmmable Electronc Ballast. IEEE Transacton on Industral Electroncs, ol 50., no. 6. Mchel, A. L., Papps, D., Campos, A., do Prado, R. N. (00). Electronc Ballast wth Automatc Lumnous Varaton and Presence Detecton Usng Mcrocontroller and Self-Oscllatng Command. IEEE IAS, ol., pp Cer, M., do Prado, R. N., Sedel, A. R., and Bsogno, F. E. (00). Fluorescent Lamp Model Based on the Equalent Resstance Varaton. IEEE IAS, ol. 1, pp Bsogno, F. E., Holsbach, R., do Prado, R. N., and Sedel, A. R. (00), Resonant Flter Applcatons n Electronc Ballast. IEEE IAS, ol. 1, pp Marques, R. N., e Braga, H. A. C. (00). Valley Fll Flter Dered Electronc Ballasts - A Comparate Study. IEEE INDUSCON, ol., pp Chae, G., Youn, Y. S., and Cho, G. H. (1998). Hgh Power Factor Correcton Crcut Usng Valley Charge- Pumpng for Low Cost Electronc Ballasts. IEEE PESC, pp Resta Controle & Automação/ Vol.16 no./abrl, Mao e Junho

8 (a) 100V/d; 0.5 A/d;.5 ms/d. (e) 100V/d; 0.5 A/d; 10 s/d. (b) 100V/d; 0. A/d; 10 s/d. (f) 100V/d; 0. A/d; 10 s/d. (c) 100V/d; 0. A/d; 10 s/d. (g) 100V/d; 0. A/d; 10 s/d. (d) 100V/d; 0. A/d;.5 ms/d. (h) 500V/d; 1 A/d; 50ms/d. Fgura 8. Resultados expermentas: (a) enoltóra da tensão e da corrente na lâmpada; (b) tensão e corrente na lâmpada para fs =45 khz; (c) tensão e corrente na lâmpada para fs =60 khz; (d) tensão de barramento VDC e corrente de controle c; (e) tensão e corrente de entrada; (f) tensão e corrente no nterruptor S, fs =45 khz; (g) tensão e corrente no nterruptor S, fs =60 khz (h) tensão e corrente na gnção da lâmpada. 50 Resta Controle & Automação/ Vol.16 no./abrl, Mao e Junho 005